Физики предложили новое объяснение темной энергии. Это может дать представление о взаимозависимости между квантовой теорией поля и общей теорией относительности как двух точек зрения на вселенную и ее элементы.
Что стоит за темной энергией и какое отношение она имеет к космологической постоянной, введенной Альбертом Эйнштейном? Два физика из Люксембургского университета показывают, как ответить на этот открытый вопрос в физике.
Вселенная обладает рядом странных свойств, которые трудно понять с помощью повседневного опыта. Например, известная нам материя, состоящая из элементарных частиц и соединений, состоящих из молекул и материи, составляет лишь малую часть энергии Вселенной. Самый большой вклад, около двух третей, приходится натемная энергия– гипотетическая форма энергии, которая до сих пор сбивает с толку его фоновых физиков. Более того, Вселенная не только продолжает расширяться, но и делает это с ускорением.
Кажется, что эти два свойства связаны, потому что темная энергия Он также считается движущей силой ускорения расширения. Кроме того, он смог объединить две мощные школы мысли в физике: квантовую теорию поля и общую теорию относительности, разработанную Альбертом Эйнштейном. Но есть одна загвоздка: счета и записи далеко не идентичны. Два люксембургских исследователя демонстрируют новый способ решения этой 100-летней загадки в исследовательской статье, опубликованной журналом. Письмо о физическом осмотре.
Эффект виртуальных частиц в вакууме
«В вакууме есть энергия. Это фундаментальный результат квантовой теории поля», — пояснил Александр Ткаченко, профессор теоретической физики кафедры физики и материаловедения РАН. Люксембургский университет. Эта теория была разработана для объединения квантовой механики и специальной теории относительности, но квантовая теория поля оказалась несовместимой с общей теорией относительности. Главное ее преимущество: в отличие от квантовой механики, эта теория считает квантовыми объектами не только частицы, но и сферы без материи.
«В этих рамках многие исследователи рассматривают темную энергию как выражение так называемой энергии вакуума, — говорит Ткатченко, — физической величины, возникающей в формах жизни в результате появления и непрерывного взаимодействия пар частиц и античастиц, таких как электроны. а позитроны — в то, что на самом деле является пустым пространством.
Планковский космический микроволновый фон. Предоставлено: ESA и сотрудничество Planck.
Физики говорят о приходе и уходе виртуальных частиц и их квантовых полей как о флуктуациях в вакууме или нулевой точке. Поскольку пара частиц быстро исчезла в небытии, их присутствие оставило после себя определенное количество энергии.
Люксембургский ученый отметил, что «эта энергия вакуума также имеет значение в общей теории относительности»: «Она проявляется в космологической постоянной, которую Эйнштейн включил в свои уравнения по физическим причинам».
Большое несоответствие
В отличие от энергии пустого пространства, которую можно вывести только из уравнений квантовой теории поля, космологическую постоянную можно определить непосредственно с помощью астрофизических экспериментов. Измерения с помощью космического телескопа «Хаббл» и космической миссии «Планк» дали близкие и надежные значения фундаментальных физических величин. С другой стороны, расчеты темной энергии, основанные на квантовой теории поля, дают результаты, согласующиеся со значением космологической постоянной 10120 раз больше — огромная разница, хотя по нынешнему мнению физиков эти две величины должны быть одинаковыми. Существующее противоречие известно как «загадка космологической постоянной».
«Это, без сомнения, одно из самых больших противоречий в современной науке», — говорит Александр Ткаченко.
Нестандартный способ интерпретации
Вместе с другим люксембургским исследователем, доктором Дмитрием Федоровым, он теперь приблизил разгадку этой тайны, которая была открыта на протяжении десятилетий, сделав важный шаг вперед. В теоретической работе они недавно опубликовали свои результаты в Письмо о физическом осмотреДва исследователя из Люксембурга предложили новое объяснение темной энергии. Предполагается, что нулевые флуктуации вызывают поляризацию вакуума, которую можно измерить и рассчитать.
«В парах виртуальных частиц с противоположными электрическими зарядами они возникают из-за электродинамических сил, которые эти частицы воздействуют друг на друга в течение очень короткого времени своего существования», — объясняет Ткаченко. Физики называют это самодействующим вакуумом. «Это приводит к плотности энергии, которую можно определить с помощью новой модели», — сказал люксембургский ученый.
Вместе с коллегой-исследователем Федоровым несколько лет назад они разработали фундаментальную модель атома и впервые представили ее в 2018 году. Первоначально эта модель использовалась для описания свойств атома, в частности взаимосвязи между поляризацией атома и равновесными свойствами. некоторые молекулы и твердые тела, которые не связаны ковалентно. Поскольку геометрические свойства очень легко измерить экспериментально, поляризация также может быть определена по ее формуле.
«Мы перевели эту процедуру на работу в вакууме», — пояснил Федоров. С этой целью два исследователя наблюдали за поведением квантовой области, в частности за представлением электронов и позитронов, «приходящих и уходящих». Эти флуктуации поля также могут характеризоваться известной из экспериментов равновесной геометрией. «Мы включили его в формулу нашей модели и таким образом окончательно получили поляризующую силу внутренней пустоты», — говорит Федоров.
Последним шагом является механический расчет плотности энергии самовоздействия между флуктуациями электронов и позитронов. Полученные таким образом результаты хорошо согласуются с измеренными значениями космологической постоянной. Это означает: «Темную энергию можно проследить до плотности энергии самовоздействия квантового поля», — утверждает Александр Ткаченко.
Неизменные ценности и поддающиеся проверке ожидания
«При этом наша работа предлагает элегантный и нетрадиционный подход к разгадке тайны космологической постоянной», — заключил физик. «Кроме того, это дает поддающееся проверке предсказание: а именно, что квантовые поля, такие как электроны и позитроны, действительно имеют небольшую, но всегда присутствующую внутреннюю поляризацию».
Это открытие указывает путь для будущих экспериментов по обнаружению этой поляризации в лаборатории, говорят два исследователя из Люксембурга. «Наша цель — вывести космологическую постоянную из строго квантово-теоретического подхода», — подчеркнул Дмитрий Федоров. «И наша работа включает в себя рецепт того, как это сделать».
Он рассматривает новые результаты, полученные с Александром Ткаченко, как первый шаг к лучшему пониманию темной энергии и ее связи с космологической постоянной Альберта Эйнштейна.
Наконец, Ткатченко убежден: «В конечном счете, это также может объяснить, как квантовая теория поля и общая теория относительности переплетаются как два взгляда на вселенную и ее компоненты».
Ссылка: «Плотность энергии самодействия Казимира в квантовом электродинамическом поле» Александра Ткаченко и Дмитрия В. Федорова, 24 января 2023 г. Доступно здесь. Письмо о физическом осмотре.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
